FEM-szimuláció

A végeselem-módszer egy bevált módszer az új termékek fejlesztési idejének lerövidítésére. A numerikus elemzéseken alapuló módszer segítséget nyújt tartós és rendkívül ellenálló termékek előállításához. Ugyanakkor optimális üzembiztonságot is biztosít.

A FEM-szimuláció megmutatja, hogyan reagál egy alkatrész vagy anyag bizonyos hatásokra. A szimuláció alapja a végeselem-módszeren (FEM). Ezzel a numerikus számítási módszerrel egy alkatrészt vagy egy teljes szerelvényt véges számú elemre (résztartományokra) osztanak fel. Ilyen módon lehetővé válik az egyes résztartományok és végső soron a teljes alkatrész mechanikai viselkedésének kiszámítása. A FEM-szimuláció olyan speciális algoritmusokon alapul, amelyek differenciálegyenletek összetett kombinációjának segítségével közelítő értékeket határoznak meg. A FEM-szimulációhoz nagy teljesítményű számítógépre van szükség. A FEM-szoftvert gyakran kombinálják CAD-alkalmazásokkal. A FEM-szimuláció eredményei a legkülönbözőbb fizikai problémákkal rendelkező területek széles skáláján felhasználhatók. Az egyik leggyakoribb alkalmazása bonyolult alakú szilárd alkatrészek szilárdságtani számítása. 

A FEM-szimuláció megéri a ráfordított időt és költséget, különösen akkor, ha prototípusokról vagy olyan termékekről van szó, amelyek gyártása drága, és amelyek tesztelése sok erőfeszítést igényelne. Különösen a könnyűszerkezetes konstrukcióval gyártandó alkatrészek számára előnyös a FEM-szimulációval elérhető nagyobb dinamika, a csökkentett anyagfelhasználás és az optimalizált energiahatékonyság.

A szingularitások olyan kritikus pontok, amelyek a forma, az anyag vagy a peremfeltételek nem egybefüggő volta miatt keletkeznek, és amelyek különleges odafigyelést igényelnek a végeselemes modellben. Ezeken a pontokon erős hálófinomításra van szükség a megbízható eredmények eléréséhez. A szerkezetmechanikában gyakran számos helyi feszültségcsúcs fordul elő ezeken a pontokon, amelyek értéke és kiterjedése erősen függhet attól, hogy a háló mennyire finom felbontású. A szingularitásoknak különböző okai lehetnek:

• beugró sarkok (sarokszingularitások)
• terhelések
• érintkezés a különböző alkatrészek között
• különböző anyagok kombinálása

Egy alkatrész fáradási szilárdságának meghatározásához magas hálóminőségre van szükség. A keletkező feszültségek pontos ábrázolása érdekében a FEM-hálónak a statikus vagy ciklikus számításhoz a lehető legfinomabbnak kell lennie. Szerkezetmechanikai alapszabály: legalább 5-6 négyszög alakú elem legyen egy 90 fokos íven. Az üzemi élettartam kiszámításához az alkatrészt mindhárom térbeli irányban finoman be kell hálózni, mivel a mélységi irányban a feszültségcsökkenést is ki kell értékelni.

Ahhoz, hogy a végeselem-módszer alapján számításokat lehessen végezni, az alkatrész alakját először be kell olvasni annak CAD-programjából. Ezután be kell vinni a szükséges adatokat a FEM-előfeldolgozóba. Majd meg kell adni a háló paramétereit, például az elemtípust, az elemméretet, az anyagtulajdonságokat, a peremfeltételeket és az alkatrészre ható terheléseket, például a hőmérsékletet vagy a nyomást. Miután az alkatrészt apró elemekre osztották, létrejön egy megfelelő finomságú háló. Az elemekhez speciális közelítőfüggvények tartoznak, amelyek leírják az elemek hatásokra és a peremfeltételekre adott viselkedését. Ezek olyan differenciálegyenletek, amelyek a vonatkozó fizikai törvényt írják le. Ezek a differenciálegyenletek az adott peremfeltételekkel, az összes elem kezdeti és átmeneti állapotával kombinálva egy teljes egyenletrendszert eredményeznek. Ezt a FEM szimulációs szoftverbe implementált egyenletmegoldó segítségével közelítőleg megoldják. A mechanikai analízisben az elmozdulások (deformációk) jelentik az elsődleges eredményt. A nyúlás és a feszültség értékei ebből származtathatók. A résztestek viselkedésén alapuló eredmény lehetővé teszi, hogy megjósolják a teljes alkatrész reakcióját. Végezetül a végeselemes analízist validálni kell. A numerikus módszer még kombinált fizikai feladatokat is lehetővé tesz, ezért sokoldalú eszköz. Segítségével előzetesen elkerülhetők a valódi prototípusoknál bekövetkező költséges hibák. Továbbá a FEM-szimuláció kiértékelése csökkenti a fejlesztésre fordított időt. A végeselem-módszer többek között a következő számításokat teszi lehetővé:

• lineáris és nemlineáris statika
• termomechanika
• dinamizmus
• alakítási szimuláció
• működési stabilitás

Általában a következő hibák fordulhatnak elő a FEM-szimulációban:

• Elégtelen alapismeretek miatt helytelen problémaelemzésre kerülhet sor
• Ha nem veszik figyelembe a FEM-hálózás szabályait, akkor a közelítő megoldás nagyobb eltérést mutat
• A problémához nem megfelelő közelítőfüggvényekkel rendelkező elemeket használnak
• Nem megfelelő anyagparamétereket alkalmaznak
• A ható terheléseket nem veszik figyelembe vagy helytelenül feltételezik
• Egyéb peremfeltételeket nem vagy egyszerűsített módon alkalmaznak

Az esetleges hibák kizárása érdekében a szimulációt validálni kell. Ez történhet például egy szimuláció és a vizsgálat során kapott eredmények összehasonlításával.

A végeselem-módszert az alábbiakra használják:

• Szerkezeti elemzések. Ezek anyag- és alkatrészterhelések, valamint deformációk meghatározására, illetve az érintkezések elemzésére használatosak.
• Merevségi elemzések. Ezek segítségével a FEM-mérnök meg tudja határozni az alkatrész nyomás vagy feszültség miatt bekövetkező alakváltozását.
• Szilárdsági számítások. Ezek határozzák meg, hogy az adott alkatrész szilárdsága megfelel-e a vonatkozó szabványoknak.
• Életciklus-elemzések. Különösen fontos szerepet játszanak az új termékek fejlesztésében. Ha az alkatrészek és a teljes szerelvények nem elég tartósak, a termékvisszahívások jelentős költségekkel járnak.
• Kúszási számítások. Segítségükkel meghatározható egy terhelés alatt álló anyag vagy alkatrész hőmérséklet- és időfüggő maradó alakváltozása (kúszási viselkedés).
• Termikus szimulációk. A hő alkatrészekre gyakorolt mechanikai hatását szemléltetik. A napelemmodulok gyártása során például a cellák forrasztása során hőhatás okozta tágulások és mechanikai feszültségek léphetnek fel, amelyeket a FEM szimulációs szoftver segítségével meg lehet jeleníteni.
• Rezgéselemzések. Ezek segítségével meghatározható, hogy a terhelések hogyan befolyásolják az alkatrészek sajátfrekvenciáit: A konstrukció a felfelé irányuló kilengések következtében meghibásodhat.

A ZEISS érintésmentes optikai mérési technológiája hatékony anyagvizsgálatot kínál különböző szituációk esetére. Könnyen integrálható a meglévő vizsgálati befogókészülékekbe, és 2D-ben vagy 3D-ben vizsgálja az anyagok, alkatrészek és befogókészülékek viselkedését. Nem számít, hogy merev vagy rugalmas szervezetről van-e szó. A ZEISS optikai mérőrendszerei a termikus és mechanikai terhelések hatását vizsgálják, és a mérési eredmények felhasználási lehetőségeinek széles skáláját kínálják. Az ilyen mérőrendszerek az alábbi célokra használhatók

• numerikus szimulációk támogatására, az anyagparaméterek meghatározásával, a peremfeltételek meghatározásával
• numerikus szimulációk ellenőrzésére, a peremfeltételek összehasonlításával és ellenőrzésével az eredmények teljes felületű összehasonlítása révén
• anyagjellemzésnél
• termékfejlesztésnél
• minőségbiztosítási célra

A ZEISS érintésmentes optikai mérési technológiája lehetőséget nyújt különböző lemezanyagok vizsgálatára a folyási feszültség hatása alatt. Új alakítószerszámok fejlesztésénél választani kell egy tervezési modellt. Ehhez figyelembe kell venni azt, hogyan viselkednek a modellek bizonyos terhelések hatására. Azonnal láthatóvá válik, hol vannak a kritikus pontok, és a megfelelő korrekciók elvégezhetők.